Rigidità assiale dei cuscinetti a sfere con scanalatura profonda: una guida pratica per gli ingegneri

Un mandrino inizia a lasciare un leggero segno di vibrazione a 8.000 giri al minuto. Il cuscinetto a sfere a gola profonda soddisfa il coefficiente di carico pubblicato, ma l'albero si deforma assialmente molto più di quanto consentito dal budget di progettazione. Questa è una scena familiare nelle macchine di precisione: il numero di carico è stato controllato, ma il numero di rigidità non è mai stato specificato. La rigidità assiale determina quanto si muove un albero quando su di esso agisce una forza assiale e in apparecchiature come piccoli motori, robot e dispositivi di misurazione, tale movimento è importante tanto quanto la durata dei cuscinetti. Questo articolo spiega cosa significa rigidezza assiale, quali variabili di progettazione la governano e come assicurarsi che il cuscinetto selezionato si comporti con la rigidità richiesta dall'applicazione.

Cosa significa rigidezza assiale in un cuscinetto a sfere con gola profonda

La rigidezza assiale è il rapporto tra un carico assiale applicato e la deflessione assiale risultante, espressa in newton per millimetro. Per un cuscinetto a sfere con gola profonda, questo rapporto non è costante. La deflessione tra sfere e piste segue il comportamento di contatto hertziano: all'aumentare del carico, l'area di contatto aumenta, la deflessione diventa proporzionalmente più piccola e il cuscinetto appare più rigido. In altre parole, la rigidità aumenta con il carico.

Per dirla con un numero, un piccolo cuscinetto a sfere con gola profonda di dimensione 608 potrebbe mostrare una rigidità assiale compresa tra 30 e 80 N/μm a seconda del gioco e del livello di carico. Un cuscinetto più grande come il 6205 può raggiungere diverse centinaia di N/μm nelle stesse condizioni. Queste cifre non sono valutazioni fisse; sono istantanee di un punto di carico specifico su una curva non lineare.

Un cuscinetto a sfere con gola profonda è simmetrico nella direzione assiale, il che significa che può sopportare carichi assiali in entrambe le direzioni. Eppure questa simmetria ha una conseguenza che spesso i progettisti trascurano. Il cuscinetto è costruito con gioco radiale interno, quindi le sfere non entrano in contatto contemporaneamente con le due spalle della pista. Sotto una piccola forza assiale, l'albero si muove quasi liberamente attraverso il gioco finché le sfere non si posizionano su uno spallamento. La rigidità assiale in questa regione è effettivamente pari a zero e solo dopo che il gioco si è esaurito il cuscinetto inizia a resistere al carico con la sua reale rigidità di contatto.

Perché la rigidità assiale è più importante del coefficiente di carico

Un coefficiente di carico risponde a una domanda: quanto carico può sopportare il cuscinetto? La rigidezza assiale risponde a una domanda diversa: con quanta precisione il cuscinetto manterrà l'albero? Per molti prodotti, la seconda domanda è cosa determina la qualità. Un piccolo motore che consente lo spostamento del rotore genera vibrazioni e rumore. Un giunto robotico con gioco assiale eccessivo perde la ripetibilità del posizionamento. Un mandrino di precisione che si flette sotto la forza di taglio crea vibrazioni e scarsa finitura superficiale.

Considera un motore il cui rotore è posizionato da due cuscinetti a sfere a gola profonda. Se il gioco assiale sullo spallamento della pista lascia 15 µm di corsa libera, il rotore si sposta avanti e indietro ad ogni inversione della forza magnetica. Il movimento assiale risultante si traduce direttamente in rumore udibile e micro-impatti ripetuti tra le sfere e la spalla della pista. Un cuscinetto precaricato o un cuscinetto a gioco ridotto eliminano questo comportamento alla fonte.

Nessuno di questi guasti richiede che il cuscinetto si trovi vicino al limite di carico. Il cuscinetto semplicemente non è abbastanza rigido per il circuito strutturale della macchina. Questo è il motivo per cui i dati sulla rigidità dovrebbero essere trattati come una specifica di prima classe e non come una scheda tecnica ripensata. Quando un assieme è progettato per mantenere il movimento assiale entro due micron, un cuscinetto che devia di dieci micron sotto la stessa forza rende inutile ogni altro componente di precisione del sistema.

Fattori chiave che controllano la rigidezza assiale

La tabella seguente elenca i parametri che influenzano più direttamente la rigidezza assiale di un cuscinetto a sfere con gola profonda. I compromessi contano tanto quanto il miglioramento della rigidità stesso.

Il problema del gioco e come il precarico aiuta

Nella pratica, la ragione più comune della scarsa rigidezza assiale non è il diametro insufficiente della sfera; è liquidazione. I cuscinetti a sfere standard a gola profonda sono classificati in gruppi con gioco come C2 (più piccolo del normale), CN (normale) e C3 (più grande del normale). Un gioco maggiore semplifica il montaggio e tollera l'espansione termica, ma allarga anche la zona di spostamento assiale. Per le applicazioni critiche in termini di rigidità, un gioco C2 o anche un gioco ridotto personalizzato è spesso il modo più semplice per ridurre il gioco assiale senza modificare la geometria del cuscinetto.

Se l'applicazione non può accettare alcuna corsa a vuoto assiale, il passo successivo è il precarico. Una molla che preme assialmente sull'anello esterno posiziona continuamente le sfere contro la pista, in modo che il cuscinetto agisca sempre sulla parte più rigida della sua curva di deflessione. Il precarico rigido ottiene lo stesso risultato fissando entrambi gli anelli dei cuscinetti in modo che le sfere siano sempre in contatto. Entrambi gli approcci riducono il gioco assiale quasi a zero, ma aggiungono attrito e generano calore, quindi i valori di precarico devono essere calcolati attentamente per la velocità operativa e l'intervallo di temperatura previsti.

Rigidità radiale e assiale nella pratica

I cuscinetti a sfere a gola profonda sono talvolta descritti come radialmente dominanti e la descrizione è corretta. Un carico radiale viene trasportato lungo una linea diretta attraverso le sfere ed entrambe le piste, mentre un carico assiale deve trasferirsi attraverso le spalle della pista e indurre un angolo di contatto crescente. A causa di questa geometria, la rigidità radiale di un cuscinetto a sfere con gola profonda è solitamente superiore alla sua rigidità assiale a parità di carico. La differenza non è un difetto; è una conseguenza del design del cuscinetto.

Per un albero che deve essere posizionato con precisione in entrambe le direzioni, la soluzione pratica è spesso una coppia di cuscinetti o un cuscinetto con flangia integrata. Le varianti flangiate registrano il cuscinetto assialmente contro la superficie dell'alloggiamento e semplificano il montaggio in piccoli motori elettrici e riduttori. Il Guida alla scelta dei cuscinetti flangiati spiega come la posizione della flangia e l'adattamento dell'alloggiamento influiscono sulla posizione assiale dell'albero. Nei motori con spazio limitato, un cuscinetto flangiato schermato come il Cuscinetto flangiato F696ZZ fornisce sia supporto assiale che semplice posizionamento dell'alloggiamento senza un anello di ritenzione aggiuntivo.

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Come verificare la rigidezza assiale prima dell'acquisto

I calcoli teorici della rigidità rappresentano un punto di partenza, ma la curva reale di deflessione del carico dipende dal gioco prodotto, dal profilo della pista e dalla rotondità delle sfere. Un test di forza-deformazione è semplice: posizionare il cuscinetto su un supporto rigido, applicare un carico assiale in incrementi con una pressa calibrata e misurare lo spostamento dell'albero con un sensore di spostamento. Tracciando il carico rispetto alla deflessione si ottiene una curva la cui pendenza in corrispondenza del carico operativo è la rigidezza tangente del cuscinetto.

Quando sono coinvolti cuscinetti miniaturizzati, anche la configurazione del test deve essere ridotta. La deflessione con pochi newton di carico assiale può essere di pochi micrometri, quindi la risoluzione della misurazione è più impegnativa rispetto a quella di un cuscinetto industriale di grandi dimensioni. È qui che un fornitore di cuscinetti con capacità di misurazione interna fa la differenza quando si qualifica un nuovo cuscinetto Cuscinetto miniaturizzato compatto 688ZZ per un assemblaggio di precisione.

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Si noti che un test statico di deflessione del carico misura la rigidità statica. In una macchina in funzione, il cuscinetto risponde anche agli effetti dinamici: comportamento del film d'olio tra sfere e piste, forze centrifughe sulle sfere ad alta velocità e dilatazione termica degli anelli. Per la maggior parte delle applicazioni al di sotto del 60% della velocità nominale del cuscinetto, la rigidità statica è una base affidabile per il confronto. L'ammorbidimento legato alla velocità diventa significativo soprattutto nei mandrini ad alta velocità, dove è richiesto un test dinamico diretto.

Passaggi pratici di selezione per disposizioni di cuscinetti rigidi

Il processo di selezione dovrebbe iniziare con un budget di deflessione assiale, non con un calcolo del carico. Decidere quanto movimento dell'albero può tollerare l'applicazione alla massima forza assiale. Quindi confrontare le opzioni dei cuscinetti in base al comportamento previsto di deflessione del carico a quella forza specifica, piuttosto che in base a un singolo numero di rigidità preso da un catalogo. La rigidità non ha una valutazione universale; è una funzione del carico, del gioco e del precarico.

Per i piccoli motori, la robotica e gli strumenti medici, la direzione del carico è importante tanto quanto la sua entità. Un cuscinetto in miniatura inossidabile come il Cuscinetto in acciaio inossidabile SMR148-2RS offre resistenza alla corrosione e funzionamento regolare in ambienti in cui il motore è esposto a umidità o detergenti. Laddove lo spazio è estremamente limitato, un design compatto mantiene ridotto l'involucro del cuscinetto pur garantendo un comportamento assiale prevedibile attraverso un'attenta selezione del gioco.

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I cuscinetti selezionati in base alla rigidità dovrebbero essere verificati anche per quanto riguarda l'effettivo adattamento dell'alloggiamento e dell'albero. Gli accoppiamenti con interferenza modificano il gioco interno dopo il montaggio e un cuscinetto che appare rigido su un banco di prova può ammorbidirsi una volta inserito in un alloggiamento. Includere le condizioni di montaggio nella valutazione della rigidità anziché trattare il cuscinetto come un componente isolato. Per uno sguardo più approfondito su come i cuscinetti di piccole dimensioni supportano i sistemi di precisione, consultare la nostra panoramica di come i cuscinetti in miniatura alimentano l'ingegneria di precisione e i macchinari ad alta velocità .